Теоретическая часть. 1. Условия возникновения живых организмов на Земле

ВВЕДЕНИЕ

ВОЗНИКНОВЕНИЕ РАСТИТЕЛЬНЫХ ОРГАНИЗМОВ НА ЗЕМЛЕ

БОТАНИКА КАК НАУКА. РАЗДЕЛЫ БОТАНИКИ

План:

1. Условия возникновения живых организмов на Земле.

2. Появление фотосинтеза и формирование кислородсодержащей атмосферы.

3. Появление первых наземных растений.

4. Появление человека и взаимодействие его с растительными организмами. Зарождение науки ботаники.

5. Основные направления изучения растений.

6. Система органического мира.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Подобно всем другим организмам, растение имеет долгую эволюционную историю. Возраст Земли (считая от газопылевого скопления) - 4.5 млрд. лет. Древнейшие из известных ископаемых организмов - четкообразные бактерии из австралийских отложений имеют возраст 3.5 млрд. лет. Более сложные эукариотические организмы появились не ранее 1.5 млрд. лет назад. Следовательно, около 2 млрд. лет бактерии были единственной формой жизни на Земле.

Считается, что первые клетки образовались в ходе последовательных случайных событий, когда в атмосфере Земли взаимодействовали между собой газообразные азот, вода и углекислыйгаз. Кислород, который сейчас составляет 21% земной атмосферы, практически отсутствовал, пока его в большом количестве не начали производить фотосинтезирующие организмы. Следовательно, первые этапы эволюции живого связаны с анаэробной средой. Согласно современным гипотезам вещества, возникавшие в первичной атмосфере, в основном вымывались из нее ливнями и накапливались в океанах, размеры которых увеличивались по мере остывания Земли. Органические молекулы, попав в океан, служили источником энергии для клеткоподобных структур. Поэтому первые организмы по способу питания относятся к гетеротрофам (heteros - другой, trophos - питающийся). Гетеротрофом считается организм, зависящий от внешнего источника органических молекул. К этой группе сейчас относятся все животные и грибы, большинство бактерий.

По мере увеличения численности примитивных гетеротрофов запас сложных молекул, от которых зависело их существование, начал истощаться. Началась конкуренция. В результате элиминации (вымирания) наименее приспособленных возникли организмы, способные создавать богатые энергией молекулы из простых неорганических веществ - автотрофы (самостоятельно питающиеся). Автотрофные организмы разделяются на фототрофные (синтезируют органические вещества с использованием световой энергии, т.е. фотосинтезируют) и хемотрофные (синтезируют органические вещества с помощью энергии, генерируемой окислением неорганических соединений). В результате фотосинтеза выделяется кислород.

Доказательства существования фотосинтетических организмов были найдены в породах возрастом 3.4 млрд. лет, т.е. на 100 млн. лет более молодых, чем те, в которых обнаружены первые свидетельства жизни.

Появление фотосинтеза и выделение кислорода как побочного продукта повлияло на увеличение количества газообразного кислорода в атмосфере. Это имело 2 последствия:

1. Часть кислорода во внешнем слое атмосферы стала превращаться в озон, который является защитным экраном для живых организмов Земли. Около 450 млн. лет назад организмы, защищенные озоновым слоем, уже могли выживать у поверхности воды и на суше.

2. Это дало возможность более эффективно использовать богатые энергией углеродсодержащие молекулы, образованные в ходе фотосинтеза, позволив организмам
расщеплять и окислять их в процессе дыхания. Дыхание дает значительно больше энергии, чем
любое бескислородное разложение.

До того, как атмосфера стала аэробной (содержащей кислород), существовали только лишенные ядерных оболочек прокариоты, генетический материал которых не организован в хромосомы. К прокариотам относятся бактерии и цианеи. Увеличение концентрации свободного кислорода сопровождалось появлением первых эукариот, имеющих ядерные оболочки, хромосомы и ограниченные мембранами органеллы.

Логику строения тела растения легче всего объяснить на основе длительной эволюционной истории, и особенно, с учетом факторов, действовавших при выходе организмов на сушу. Автотрофам для существования нужны следующие факторы: свет, вода, углекислый газ (для фотосинтеза), кислород (для дыхания) и некоторое количество минеральных веществ. Однако источники их находятся в разных средах: вода и минеральные вещества – в почве; свет, углекислый газ и кислород – в атмосфере. Растения имеют два типа питания: корневое и воздушное и используют следующую стратегию. Корни закрепляют их в грунте и поглощают воду и минеральные вещества из почвы, а стебли служат опорой основным фотосинтетическим органам - листьям. Вода поступает в корневые волоски, а в конечном итоге выводится наружу листьями.

Все надземные части растения покрыты кутикулой, снижающей потери воды, но одновременно затрудняющей необходимый газообмен между растением и окружающейсредой. Эта дилемма решается с помощью устьиц, которые открываются и закрываются в ответ на внешние и внутренние сигналы. Стебель растения служит для транспорта веществ через сосудистую систему, связывающую фотосинтезирующие и нефотосинтезирующие органы растения. Эта системасостоит из двух основных компонентов - ксилемы (транспортирует воду и минеральные вещества) и флоэмы (транспортирует органические вещества). Такая транспортная система имеется у большинства растений, которые называются сосудистые.

В отличие от животных, растения всю жизнь растут. Их рост обеспечивается меристемами - ограниченными участками тканей, постоянно сохраняющих эмбриональное состояние. Кроме того, растения преодолели трудности, связанные с размножением на суше. Сначала у них возникли устойчивые к сухости споры, а затем развились сложные многоклеточные структуры с гаметами (половыми клетками) внутри. После оплодотворения зародыш вначале развивается в окружающей среде, а у семенных растений он защищен от иссушения и врагов специальными покровами, которые образует родительский организм.

Люди появились в ходе органической эволюции сравнительно недавно. Однако они успели сильнее, чем любое другое животное, перестроить биосферу. Развитие сельского хозяйства со временем позволило людям специально заниматься наукой. Самыми старыми биологическими науками являются ботаника и зоология, изучающие растения и животных соответственно. Представленное методическое пособие включает только ботаническую составляющую.

Ботаника (по Рейену, Эверту и Айкхорну) - это раздел биологии, связанный с изучением, растений, а также (no традиции) бактерий и грибов.

Современная ботаника (по Петрову, Абрамовой, Баландину, МГУ) представляет собой совокупность различных дисциплин, объектом изучения которых является растительный мир (отдельные растения, их сообщества, растительный покров в целом).

Изучение растений продолжалось в течение тысячелетий, однако это изучение разделилось на специализированные направления только за последние 300 лет. Около 150 лет назад ботаника еще относилась к медицине, а в настоящее время это важная научная дисциплина со многими разделами.